城軌列車高頻輔助應(yīng)急電源研制

　　1 引言

　　城軌列車蓄電池有可能因?yàn)檫^放電而出現(xiàn)虧損，從而無法為輔助電源系統(tǒng)的控制電路提供正常工作所需的DC24V電源，導(dǎo)致輔助電源系統(tǒng)無法正常工作，因此需要一款應(yīng)急輔助電源，在蓄電池出現(xiàn)虧損時(shí)為輔助電源系統(tǒng)的控制電路供電，作為列車輔助電源控制系統(tǒng)控制電路的啟動(dòng)電源。應(yīng)急啟動(dòng)電源輸入DC750V(450V~1100V)，輸出DC24V，額定輸出250W。主電路拓?fù)?/strong>。由于車載蓄電池虧損，不能為應(yīng)急電源提供控制電，因此需要設(shè)計(jì)啟動(dòng)供電電路。由于控制電源供電質(zhì)量差，加之該電源功率等級(jí)和系統(tǒng)較小，因此使用集成DC/DC控制芯片SG3525設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。針對(duì)主電路特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的高壓隔離IGBT驅(qū)動(dòng)電路。

　　2 系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)主電路原理

　　如圖1所示，系統(tǒng)主電路拓?fù)洹?/p>

　　工作原理如下：1)、直流750V經(jīng)輸入LC濾波后由半橋變換器變成交變電壓，經(jīng)高頻變壓器后輸出由全波整流輸出直流24V(DC24V);2)、輔助繞組DC24aux為控制系統(tǒng)提供反饋電源;3)、二極管D1即可以削弱LC震蕩，也可以防止輸入接反;4)、電容C1、C2即是支撐電容，也是半橋的一個(gè)橋臂;5)、R1是開關(guān)管Q2電流采樣電阻。

　　結(jié)合所選開關(guān)管參數(shù)，綜合考慮系統(tǒng)體積和損耗，設(shè)計(jì)開關(guān)管開關(guān)頻率為20kHz。高頻變壓器工作頻率也為20kHz，額定容量300kVA。

　　2.2 啟動(dòng)供電電路

　　如圖2所示，其設(shè)計(jì)思路是：當(dāng)6800uF電容兩端的電壓達(dá)到一定值(如：25V)時(shí)，開通三極管給控制系統(tǒng)供電。假設(shè)6800uF電容兩端電壓達(dá)到25V時(shí)三極管飽和導(dǎo)通開始給控制系統(tǒng)供電，到15V時(shí)三極管關(guān)斷停止供電。假設(shè)控制系統(tǒng)的功率為5W，則可以根據(jù)公式：

　　0.272s的時(shí)間足夠讓系統(tǒng)啟動(dòng)并穩(wěn)定工作。穩(wěn)壓二極管1N475A的穩(wěn)壓值為30V，1N4740A為10V。在三極管ZTX956開通給控制系統(tǒng)供電前LM258D工作電流小于1mA，滿足此處設(shè)計(jì)需要。

　　在Multisim11.0中搭建仿真模型，啟動(dòng)電路后面用80Ω的電阻作為負(fù)載來模擬對(duì)控系統(tǒng)供電，仿真波形如圖3所示，其中淡綠色色波形為電容C1兩端的電壓，藍(lán)色波形為控制系統(tǒng)兩端的電壓，由仿真結(jié)果可知該方案達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

　　啟動(dòng)供電電路提供的是15V~25V的電源，而輔助繞組提供的是24V電源(輸入直流電壓和主繞組負(fù)載變化時(shí)，波動(dòng)較大)。為了給控制電路提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的電源，在啟動(dòng)供電電路和輔助繞組供電輸出加一個(gè)三端穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓。考慮IGBT驅(qū)動(dòng)電壓為15V，這里設(shè)計(jì)穩(wěn)壓器輸出為15V。如圖4所示，穩(wěn)壓電路原理圖。

　　2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　集成DC/DC控制芯片因反饋控制不一樣可以分為電壓型和電流型控制模式。由于電壓控制模式電路是單環(huán)反饋的設(shè)計(jì)和分析較易進(jìn)行;鋸齒波振幅較大，對(duì)穩(wěn)定的調(diào)制過程可提供較好的噪聲余裕;低阻抗功率輸出，對(duì)多輸出電源具有較好的交互調(diào)節(jié)特性。由于輕軌車高頻輔助應(yīng)急電源的負(fù)載對(duì)電源的動(dòng)態(tài)性能要求不高，而且電壓控制模式相對(duì)電流控制模式調(diào)試簡單，故本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的控制模式采用電壓控制模式。

　　綜合調(diào)研各廠家芯片，這里選擇常用集成DC/DC控制芯片SG3525作為主控芯片。輸出DC24經(jīng)PC817隔離反饋輸入SG3525的誤差放大器。如圖5所示，SG3525控制系統(tǒng)原理圖。

　　2.4 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　IGBT驅(qū)動(dòng)有不隔離的自舉電路、變壓器隔離驅(qū)動(dòng)和光耦隔離驅(qū)動(dòng)。如今市場上現(xiàn)有的帶自舉電路的橋式驅(qū)動(dòng)芯片的最高耐壓僅為1200V，并不能夠滿足750V電源系統(tǒng)。而使用專用的驅(qū)動(dòng)模塊成本太高，且對(duì)控制電源要求較高，電源系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)無法啟動(dòng)的問題。故本設(shè)計(jì)采用最簡單的變壓隔離驅(qū)動(dòng)的方式來驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖6所示。由于SG3525供電電壓為15V，驅(qū)動(dòng)隔離變壓器變比設(shè)計(jì)為1:1:1，工作頻率為21kHz。

　　首先測試啟動(dòng)供電電路，如圖8所示啟動(dòng)供電電

　　路輸出電壓波形，通道1是啟動(dòng)供電電路輸出電壓波形，通道2是啟動(dòng)供電電路充電電容兩端電壓波形。由實(shí)驗(yàn)波形可得啟動(dòng)供電電路可以為控制系統(tǒng)提供0.3s的電源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與滿足設(shè)計(jì)要求。用啟動(dòng)供電電路給控制系統(tǒng)供電，使應(yīng)急電源工作。應(yīng)急電源滿載輸出時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖(VGE通道1)、IGBT兩端電壓(VCE，通道2)、IGBT電流波形(IC，1Ω采樣電阻電壓波形，通道3)如圖9所示。由圖9可得，驅(qū)動(dòng)脈沖峰值為16.6V，驅(qū)動(dòng)脈沖波形較好，IGBT兩端電壓為780V，IGBT電流峰值為1.2A。

　　測試應(yīng)急電源的輸入輸出電壓波形，測試波形如圖10所示。由圖10可得，輸入直流電壓為809V(DC750V，通道1)，主繞組輸出電壓為24.6V(DC24V，通道2)，輔助繞組輸出電壓為21.2V(DC24aux，通道3)。輸入輸出特性滿足設(shè)計(jì)要求。

　　4 結(jié)論

　　這里分析了城軌列車高頻輔助應(yīng)急電源系統(tǒng)原理，針對(duì)應(yīng)急電源的特色工況設(shè)計(jì)了啟動(dòng)供電電路。然后設(shè)計(jì)了以SG3525為核心的控制系統(tǒng)。最后搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)功能進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)方案滿足實(shí)際需求。

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　　作者簡介：

　　何文輝(1989- )，男，四川南充人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。